الباب السادس حساب حمل التسخين HEATING LOAD CALCULATIONS

 

الباب السادس

حساب حمل التسخين

HEATING LOAD CALCULATIONS

6-4	مقدمة	(Introduction)
6-2	العوامل المؤثرة على حمل التسخين	(factors influencing heating load)
6-3	الحرارة المفقودة	(Heat loss)
6-4	الحرارة المنتقلة خلال المبنى	(Heat transmission through the building)
6-5	حرارة التهوية	(Heat of ventilation)
6-6	الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء	(Heat due to infiltration)
6-7	الحرارة المفقودة خلال المسالك الهوائية	(Heat loss through air ducts)
6-8	منوال حساب حمل التبريد	(Heating load calculation procedure)
6-9	منوال العمل	(Worksheet)
6-10	مسائل	(Problems)

 

الباب السادس

حساب حمل التسخين

HEATING LOAD CALCULATIONS

6-1 مقدمة (introduction)

الحسابات الدقيقة لحمل التسخين ضرورية جداً لدقة تصميم ، اختيار وأداء أنظمة تكييف الهواء الشتوية. يجب التفرقة بين الحرارة المفقودة وحمل التسخين:

أ ـ الحرارة المفقودة (Heat loss)

وهي عبارة عن معدل فقد الحرارة خلال الإطار الخارجي للمبنى.

ب ـ حمل التسخين (Heating load)

وهو عبارة عن معدل إضافة الحرارة المطلوبة للمحافظة على درجة حرارة الهواء داخل غرف المبنى.

حمل التسخين لا يساوي الحرارة المفقودة بل يكون دائماً أقل منه وذلك لأن الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس، الناس، الإضاءة والمعدات داخل الغرف تعمل على تعويض جزء من الحرارة المفقودة خلال الإطار الخارجي للمبنى.

6-2 العوامل المؤثرة على حمل التسخين (Factors influencing heating load)

يؤثر على حمل التسخين العوامل التالية:

أ ـ المنابع الحرارية (Heat sources)

تعمل المصادر الحرارية الداخلية وأشعة الشمس على خفض حمل التسخين بينما تشكل المنابع الخارجية التالية حمل التسخين:

1ـ انتقال الحرارة خلال الحوائط الخارجية، الأسقف والأرضيات للمبنى.

2ـ الحرارة للازمة لتسخين كل من هواء التهوية والهواء المتسرب خلال الشبابيك إلى غرف المبنى.

ب ـ شروط التصميم الخارجية (Outside design conditions)

ينتج عن تصميم أنظمة التكييف الشتوية لأسوأ الظروف الخارجية توافر سعة تسخين زائدة معظم الوقت. درجة التصميم الخارجية، طبقاً لمواصفات الهيئة الأمريكية للتبريد والتكييف والتسخين ASHRAE، هي عبارة عن درجة حرارة الهواء المناظرة والزائدة والتي تشكل 97.5% من عدد ساعات أشهر الشتاء (ديسمبر ، يناير وفبراير).

يمكن أخذ درجة حرارة الهواء أكبر من أقل درجة حرارة الهواء المسجلة بحوالي 5ْم كدرجة التصميم الخارجية وهي للإسكندرية 10ْم وللقاهرة 4.4ْم.

ج ـ شروط التصميم الداخلية (Inside design conditions)

درجة حرارة الهواء داخل الغرف تتغير في الاتجاه الرأسي وتعين بالمعادلة:

t_H = t + 0.06 (H – 0.5)

حيث:

t_H ـ عبارة عن درجة حرارة الهواء على ارتفاع (H) من الأرضية.

T ـ عبارة عن درجة حرارة الهواء عند مستوى التنفس، أي على ارتفاع 1.5م من الأرضية وعلى بعد متر واحد من الحوائط.

تعرف درجة حرارة الهواء (t) بدرجة التصميم الداخلية وهي تتوقف على طبيعة المكان المراد تكييفه، كما يتضح ذلك من جدول (6-1)

ظروف التصميم الداخلية المفضلة للطقس القارس( Tropical climates) هي 22ْم جافة مع 45% رطوبة نسبية أو 21ْم جافة مع 30% رطوبة نسبية.

جدول (6-1)

الاستخــــــدام	الرطوبة النسبية (%)	درجة الحرارة الجافة
		مع الترطيب	بدون الترطيب
منازل ـ فنادق ـ مكاتب	35	23	24
مدارس ـ مستشفيات	30	24
محلات ـ بنوك	35	22	23
سوبر ماركت	30	23	24
مدرجات ـ مطاعم	40	22	23
مطابخ	35	23	24
مصانع أماكن تجمع	35	20	21
	30	22	23

يفضل أن تكون الرطوبة النسبية داخل الأماكن المكيفة شتاءاً منخفضة وذلك لمنع تكثف بخار الماء على النوافذ، خاصة للأماكن الباردة.

د ـ تركيبة المبنى واتجاه حوائطه

                                (Building construction and wall orientation)

تؤثر التركيبة الإنشائية للمبنى على معدلات فقد الحرارة خلال الحوائط والأسقف كما تؤثر أماكن النوافذ على كميات الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس.

هـ ـ العوامل المساعدة (Assisting factors)

الحرارة الناتجة عن أشعة الشمس، الإضاءة ، الناس ، الموتورات والمعدات بالإضافة إلى الحرارة المحزونة (Stored) في حوائط المبنى ومحتوياته تعمل على خفض الحمل الحراري. إذا أخذنا في الاعتبار عدم استمرارية الأحمال الحرارية الناتجة عن الشمس، الإضاءة وشاغلي المكان وأن توقيت التصميم عادة يكون ليلاً فإن العوامل المساعدة يجب أخذها في الاعتبار بعناية خاصة.

6-3 الحرارة المفقودة (Heat loss)

يمكن تصنيف الحرارة التي يفقدها المبنى إلى:

أ ـ حرارة محسوسة (Sensible heat)

وهي الحرارة التي تعمل على خفض درجة حرارة الهواء داخل الأماكن المكيفة ومصادرها هي:

1ـ الحرارة المنتقلة خلال الحوائط، النوافذ، الأسقف والأرضيات نتيجة فرق درجات الحرارة.

2ـ الحرارة الناتجة عن المعالجة الحرارية لهواء التهوية.

3ـ خفض الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء خلال شقوق النوافذ والأبواب.

ب ـ حرارة كامنة (Latent heat)

وهي عبارة عن الحرارة التي تعمل على زيادة رطوبة الهواء المتسرب والهواء اللازم للتهوية.

6-4 الحرارة المنتقلة خلال المبنى

                               (Heat transmission through the building)

تعين الحرارة المنتقلة خلال الحوائط، الأسقف والأرضيات بالمعادلة:

Q_T = å UA (t_I – t_o)

حيث:

 t_o و t_I عبارة عن درجة تصميم الهواء الجافة خارج المبنى وداخله على التوالي.

U عبارة عن معامل انتقال الحرارة الكلي لمقاطع المبنى المختلفة ويحسب بنفس الطريقة المتبعة في حسابات حمل التبريد.

لخفض معدلات فقد الحرارة خلال المبنى يجب عزل الحوائط، الأسقف والأرضيات.

6-5 حرارة التهوية (Heat of ventilation)

حيث أن حالة هواء التهوية عادة تختلف عن حالة الهواء داخل الأماكن المكيفة فإنه يلزم معالجة هواء التهوية لرفع درجة حرارته الجافة وزيادة رطوبته.

تعين حرارة التهوية بنفس المعادلات المستخدمة في حسابات حمل التبريد وهي:

للحرارة المحسوسة:

Q_v,s = m_v[C_p (t_I – t_o)]

وللحرارة الكامنة:

Q_v,L = m_v[(H_I – H_o)L]

يعطي جدول (6-2) معدلات حرارة التهوية للأماكن المختلفة، علاوة على درجة حرارة الهواء الداخلية المفضلة.

جدول (6-2)

نوعية المبنى	درجة الحرارة الداخلية (Cْ)	معدل حرارة التهوية (W/m2 . °C)
متاحف ـ بنوك ـ مكاتب مستشفيات ـ معامل محاكم	20	0.33
محلات تجارية كبيرة صالات عرض أو اجتماعات سوبر ماركت	18	0.17
بارات ـ مطاعم ـ مدارس جامعات ـ كافيتريا محلات تجارية صغيرة	18	0.33
مساكن	21	0.33
مكتبات	20	0.25
ملاعب مقفلة	16	0.25

6-6 الحرارة الناتجة عن تسرب الهواء (Heat due to infiltration)

يحدث تسرب الهواء نتيجة مرور الهواء خلال الحوائط المسامية والشقوق في الحوائط وحول فتحات النوافذ والأبواب.

تعين حرارة الهواء بنفس المعادلات المستخدمة في حسابات حمل التبريد وهي:

للحرارة المحسوسة:

Q_s,I = m_I[C_p (t_I – t_o)]

للحرارة الكامنة:

Q_L,I = m_I[(H_I – H_o)L]

يلاحظ أن معدلات تسرب الهواء في الشتاء أكبر من نظيرتها في الصيف وذلك لأن شدة الرياح أكبر. كما يلاحظ أن معدلات تسرب الهواء خلال الأبواب المفتوحة تعادل سبع أضعاف نظيرتها للأبواب المغلقة. تغطية إطارات النوافذ بطبقة مانعة للتسرب يمكن أن تخفض معدلات تسرب الهواء بحوالي 50%

يتوقف معدل تسرب الهواء على نوعية النوافذ والأبواب وعلى فرق الضغط للهواء خلال شقوقها. كما هو موضح في جدول (6-3). فرق الضغط خلال شقوق النوافذ عبارة عن الفرق بين الضغط الناشئ عن سرعة الرياح وضغط الهواء الناشئ عن توزيع هواء التهوية.

جدول (6-3) معدلات تسرب الهواء (L/S per m)

النوعيــــــــــــــة	فرق الضغط (Pa)
	25	50	75	100
نافذة خشبية مقفلة ذات مفصلين مع:
ـ أحكام ضعيف (عادي)	2	3.1	3.9	5
ـ أحكام متوسطة	0.7	1.1	1.5	1.8
نافذة خشبية مقفلة ذات مفصلين ومجهزة بخوصة مقاومة للتسرب مع:
ـ أحكام ضعيف (عادي)	0.7	1.1	1.5	1.5
ـ أحكام متوسطة	0.4	0.6	0.8	0.9
شباك أو حائط حول إطاره
ـ إطار خشبي	0.3	0.6	0.8	0.9
ـ مباني محلفطة	0.1	0.1	0.2	0.2
ـ مباني غير محلفطة	0.4	0.7	0.9	1.1

من الجدول السابق يتضح أن معدلات تسرب الهواء تقل مع زيادة إحكام غلق النوافذ.

يمكن حساب معدلات تسرب الهواء بنفس الطرق المتبعة مع حسابات حمل والتبريد وهي:

أ ـ طريقة تغير الهواء (Air change method)

يعطى جدول (6-4) معدلات تغيير الهواء في الساعة تبعاً لعدد جوانب المبنى المعرضة للوسط الخارجي، بينما يعطى جدول (6-5) معدلات تسرب الهواء في الساعة تبعاً للاستخدام.

جدول (6-4)

نوعية الغرفة	x
غرف بدون نوافذ أو أبواب خارجية
غرف، نوافذ وأبواب على جانب واحد	1
غرف، نوافذ وأبواب على جانبين	1
غرف، نوافذ وأبواب على ثلاث جوانب	2
صالات الدخول	2

جدول (6-5)

الاستخدام	x
صالات عرض أو اجتماع ـ ملاعب مقفلة	0.5
مكتبـــــــــات	0.75
متاحف ـ بنوك ـ مساكن ـ مكاتب   مستشفيات ـ فنادق
معامل ـ محاكم ـ مطاعم ـ كافيتريا ـ مدارس ـ جامعات ـ محلات تجارية

ب ـ طريقة الشقوق (Crack method)

يتناسب معدل تسرب الهواء على طول الشقوق، عرضها والجزر التربيعي لفرق الضغط خلال الشقوق.

يعطي جدول (6-3) معدلات التسرب للنوافذ بينما يعطي جدول (6-6) معدلات حرارة التسرب لبعض الأبواب والنوافذ.

جدول (6-6)

النوعية	حرارة التسرب (W)
شباك مقفل 90×150سم	770
باب مقفل 90×210سم	925
باب مفتوح 90×210سم	6000

6-7 الحرارة المفقودة خلال المسالك الهوائية (Heat loss through air ducts)

مسالك الهواء الحاملة للهواء المكيف والمادة خلال الأماكن الغير مكيفة سوف تفقد حرارة يمكن تعينها بالمعادلة:

Q = U A Δ t

حيث:

A عبارة عن مساحة السطح الخارجي لمسالك الهواء.

Δ t عبارة عن فرق درجات الحرارة خلال مقطع المسالك الهوائي.

U عبارة عن معامل انتقال الحرارة الكلي لمقطع المسالك الهوائي.

6-8 منوال حساب حمل التسخين (Heating load calculation procedure)

1ـ اختار شروط التصميم الخارجية.

2ـ اختار شروط التصميم الداخلية.

3ـ حدد الخواص الحرارية لمواد البناء.

4ـ حدد أبعاد المبنى واتجاهات حوائطه.

5ـ حدد فترة حدوث أقصى حمل تسخين.

6ـ عين معامل انتقال الحرارة للمقاطع المختلفة.

7ـ احسب الحرارة المنتقلة خلال الحوائط، الأرضيات، الأسقف، النوافذ، الأبواب.

8ـ احسب حمل التسخين نتيجة تسرب الهواء.

9ـ احسب حمل التسخين نتيجة التهوية.

10ـ اجمع البندين 7 و8 أو 7 و 9 للحصول على حمل التسخين.

6-9 منوال العمل (Word sheet)

لحساب حمل التسخين اقترح منوال العمل التالي:

منوال حساب حمل التسخين

اسم المكان:

شروط التصميم الخارجية:                          ْم جافة                 ْم رطبة

شروط التصميم الداخلية:                            ْ م جافة                ْ م رطبة

زمن حمل الذروة:

رقم الغرفة:

الاتجاه	E	W	S	N
أبعاد الحوائط	×	×	×	×
أبعاد النوافذ	×	×	×	×
أبعاد الأبواب	×	×	×	×

1	انتقال الحرارة			A	U	Δ t	Qs	QL	QT
	حوائط بدون نوافذ بدون	E W S N						- - - -
	نوافذ	E W S N						- - - -
	أبواب	E W S N						- - - -
	الأرضية
	السقف
	مسالك هوائية
	المجموع
2	حمل التسرب		x	Δ i	VR	I/vo	Qs	QL	QT
	المجموع
3	حمل التهوية				L/s Per person	I/vo	Qs	QL	QT
	المجموع
4	الحمل المحسوس (1+12 و 3)
5	حمل الترطيب (2 أو 3)
6	حمل التسخين (4+5)

6-10 مسائل (Problems)

1ـ عين أي من الحوائط التالية، ذات المساحة الكلية 1.5 متر مربع يكون لها فقد الحرارة أكبر ما يمكن.

أ ـ حائط يشتمل على 25% زجاج مفرد والباقي طوب قشرة (U = 1.35)

ب ـ حائط يشتمل على 50% زجاج مزدوج والباقي طوب قشرة (U = 1.35)

ج ـ حائط يشتمل على 10% زجاج مفرد والباقي عبارة عن 15 سم خرسانة مصبوبة.

2ـ منزل ذو سطح مائل مساحته 160 متر مربع ومعامل انتقال الحرارة الكلي له 1.6 وات/متر مربع. درجة السقف أسفل السطح المائل مساحته 140 متر مربع ومعامل انتقال الحرارة الكلي له 0.42 وات/متر مربع. درجة. الحيز بين السطح والسقف هواءه ساكن. لدرجات الحرارة الخارجية 4ْم والداخلية 22ْم.

3ـ غرفة جانبية في مبنى بالقاهرة تشتمل على شباكان 90×120سم، على أحد الجوانب، لهما معدل تسرب الهواء 1لتر / ثانية كل لمتر طولي. على الجانب الآخر للغرفة يوجد باب واحد 90×210 سم له معدل التسرب 1.7 لتر / ثانية لكل متر طولي. إذا كانت درجة الحرارة داخل الغرفة 20ْم والرطوبة النسبية 30%

       عين الحرارة المفقودة نتيجة تسرب الهواء للغرفة.

4ـ عين الحرارة المفقودة خلال الحائط الخارجي والشبابيك لغرفة درجة حرارتها 22ءم ومواصفاتها.

       الحائط: 20 سم خرسانة و 2سم مونة أسمنتية طول الحائط 9 متر وارتفاعه 4.5 متر.

       الشبابيك: خمسة، 120 × 120 سم، لها معدل التسرب 0.75 لتر/ ثانية لكل متر طولي.

      الموقع: مدينة الإسكندرية.

5ـ غرفة كمبيوتر تقع في الدور الثاني في مبنى مكتبي ذو خمسة أدوار. أبعاد الغرفة 10×7 متر وارتفاعها 3.5متر. الحائط الخارجي طوله 10 متر وله معامل انتقال الحرارة الكلي 0.5 وات/متر مربع. درجة. أجهزة الكمبيوتر والإضاءة تعمل 24 ساعة يومياً ويعطيا حرارة معدلها 2 كيلو وات. درجة حرارة الهواء داخل الغرفة 20ْم.

       عين حمل التسخين لظروف التصميم الشتوية لمدينة الإسكندرية.

6ـ عين الحرارة المفقودة للغرفة، الموضحة في شكل (6-1) والتي تقع في دور متوسط في مبنى مكتبي بالقاهرة.

      الحائط: 10 سم طوب عادي، 20 سم بلوكات خرسانية و 20مم مونة أسمنتية.

      الشبابيك: 120×150 سم ذات مفصلين وإطار معدني ارتفاع السقف 2.75 متر ودرجة الحرارة داخل الغرفة 20ْم.

شكل (6-1)

7ـ احسب حمل التسخين للمبنى الموضح في شكل (6-2) المبنى ارضي ومقام على فرشة خرسانية.

      الموقع: القاهرة

      الحوائط: 10سم طوب عادي، 10سم بلوكات خرسانية، 5 سم فراغ هوائي و 2سم مونة

      جبسية. ارتفاع الحوائط 3.65متر.

      الشبابيك: 240 × 180 سم ثنائية الزجاج ومحكمة.

      الأبواب: 240×240 سم، بسمك 25 مم خشب صلب.

      السقف: 10سم خرسانة خفيفة الوزن و 2سم مونة جبسية.

شكل (6-2)

8ـ هواء خارجي حالته 4ْم جافة و 60% رطوبة نسبية يدخل مبنى صغير عن طريق التسرب بمعدل 15 لتر / ثانية.

      ما معدل الرطوبة التي يجب تبخيرها كل ساعة للحفاظ على الرطوبة النسبية الداخلية 40% عند 18ْم جافة.

      ما كمية الحرارة اللازمة للتبخير.

9ـ عين حمل التسخين للمبنى التجاري الموضح في شكل (6-3) والذي يقع في مدينة الإسكندرية.

       الحائط: 25مم ستيكو غامق على 30سم خرسانة عادية (U = 1.83)

       السقف: 20 سم خرسانة خفيفة الوزن (U = 0.62)

       الأرضية: فرشة خرسانية بسمك 10سم.

       الباب: 180× 210 سم، خشب ناشف سمكه 5 سم (U = 2.26)

       الشبابيك: 240 × 240 سم، ألواح زجاجية عادية سمكها 3مم.

       الإشغال: 35 شخص يؤدوا نشاط مكتبي متوسط.

       الإضاءة: 5600 وات فلورسنت.

       التسرب: معدل تغير الهواء  كل ساعة.

       ارتفاع السقف 3 متر والظروف الداخلية 20ْم و35% رطوبة نسبية.

شكل (6-3)

10ـ مبنى يستخدم كصالة اجتماعات عرضه 15متر، طوله 27متر وارتفاعه 3متر. الحوائط تتكون من 10 سم بلوكات خرسانية خفيفة الوزن ومغطاة بطوب واجهة سمكه 5سم. الأرضية عبارة عن 10 سم فرشة خرسانية على 10سم خلط. السقف عبارة عن تسقيفة خشبية إسفلتية خفيفة، 20 مم ألواح خشبية و 5سم صوف زجاجي. على جانبي مع 6 مم فراغ وإطار معدني، على كل جانب. الشبابيك 120×90سم وذات مفصلات أفقية. على الواجهة الأمامية توجد ثلاثة أبواب وعلى الواجهة الخلفية باب واحد. الأبواب خشبية سمكها 5سم وأبعادها 210×92سم ذا كان المبنى في مدينة الإسكندرية.

       عين سعة فرن التسخين اللازم للتدفأة.

11ـ للسوبر ماركت الموضح في شكل (5-4) إذا كانت درجة التصميم الخارجية 4.4ْم والداخلية 22ْم، الإضاءة تعمل بصفة دائمة وسعة الإشغال لا تقل عن 10 أشخاص.

      عين أقل سعة لملفات التسخين تلزم للمحافظة على شروط التصميم الداخلية.

12ـ لكفتيريا المطاعم المعطاة في شكل (5-5) إذا كانت درجة التصميم الداخلية 20ْم والخارجية 10ْم شدة الإضاءة 20 وات/متر مربع من مساحة الأرضية بصفة دائمة ونسبة أشغال الكفتيريا 100% لنفس معدلات تسرب الهواء خلال الأبواب والشبابيك.

      عين سعة ملفات التسخين للمحافظة على درجة حرارة التصميم الداخلية.